1 000 MW機組定子冷卻水管道振動原因分析及治理

張振興，李建勇，余成長，唐 璐

（1.江蘇國華陳家港發電有限公司，江蘇 鹽城 224631；2.蘇州熱工研究院，江蘇 蘇州 215004）

定子冷卻水系統是關系到發電機能否正常安全運行的重要系統。定子冷卻水系統向發電機定子繞組和母線提供水質、壓力、溫度和流量符合要求的冷卻水，循環的冷卻水帶走發電機連續運行所產生的熱量，以保證發電機安全運行。定子冷卻水繞組的進水口和出水口直接連接在汽機本體上，管道振動較大會直接影響到機組安全運行。

1 管道振動情況

某1 000 MW機組定子冷卻水管道的材質為1Cr18Ni9Ti，規格為Φ168 mm×5 mm，水進水管道溫度為50℃，出水管溫度為85℃，設計壓力為1 MPa。定子冷卻水管道布置如圖1所示。

通過現場觀察和測量，發現發電機定子繞組出水口至定子冷卻水供水裝置回水管道振動劇烈，管道振動總體特征是低頻高幅。19號固定支架所在立管X向和Y向兩個振動較大，現場測量最大峰值位移分別為10 mm和15 mm，立管振動帶動上方水平管道振動；18號剛性吊架所在水平管擺動嚴重，X向和Y向擺動幅度分別約為15 mm和20 mm；15-17號剛性吊架所在水平管道Y向振動，振幅約為10 mm；9號剛性吊架所在立管振動兩向振動幅度均約為15 mm，8號剛性吊架X向振動幅度為10 mm。

由于現場管道振動劇烈，利用5組手拉葫蘆對發電機定子繞組出水口至定子冷卻水供水裝置回水管道進行了臨時固定，16和17號剛性吊架之間管道臨時加固如圖2所示。定子冷卻水供水裝置總出水管至發電機定子繞組進水口管道未發現明顯振動現象。

2 振動原因分析

圖1 定子冷卻水管道布置圖

圖2 16和17號剛性吊架之間管道的臨時加固

管道支吊架設計時只進行了靜力計算，沒有考慮管道的動態特性。由于定子冷卻水管道設計溫度較低，管道熱膨脹幾乎可以忽略。由設計計算書可知，原定子冷卻水管道支吊架的設計僅滿足了承載要求。按規定[1]管道設計除要求滿足強度條件外，還應滿足一定的剛度條件，并要求管道的固有頻率大于3.5 Hz。

定子冷卻水管道介質流速較小，激振頻率較低。管道較長、彎頭多、柔性較大，管道內的水流容易在彎頭處產生交變的激振力，從而導致管道振動。管道剛度不夠或支吊架設計不合理也會導致管道自振頻率較低而產生共振。

發電機定子繞組出水口至定子冷卻水供水裝置回水管道大多采用剛性吊架懸吊方式。這種方式可約束管道垂直方向的運動，對管道水平方向的運動幾乎無約束作用。除靠近定子繞組進水口和出水口附近設計了固定支架，整個管系中無限位裝置和約束裝置，管道剛度較小。如果管道的固有頻率過低，管道柔性過大，即使不在激振頻率區域，管道在激振力的作用下仍有可能產生劇烈振動。

檢查現場支吊架后發現，發電機定子繞組出水口至定子冷卻水供水裝置回水管道13號滑動支架脫空；19號固定支架根部未與預埋件焊接，固定支架變為滑動支架，只起承載作用，而無限制位移作用，大大降低了管道的剛度。

經現場檢查和分析，定子冷卻水管道支吊架設計不合理、管道剛度小、固有頻率較低是定子冷卻水發生劇烈振動的主要原因。

3 振動治理方案

定子冷卻水管道是一個復雜的連續彈性體，其振動問題可視為有限多個質點多自由度的振動系統。對有一定質量的無阻尼系統，其頻率方程如式（1）所示：

式中：K為剛度矩陣；M為質量矩陣；ω為各階固有頻率。

由式（1）可得，多自由度系統的固有頻率與其質量矩陣和剛度矩陣有關。定子冷卻水管道已無法改變其布置，故管道質量無法改變。因此，在保證管道應力合格的前提下，可通過支吊架的合理布置，增設限位裝置以增加管道剛度，使管道具有較高的一階固有頻率，避開相對低階激振力的響應，從而減小管道的振動。

針對現場管道振動情況，采取以下處理措施：

（1）對19號支架進行加焊，限制該處管道6個方向的自由度，墊實脫空的13號滑動支架。

（2）距離8號吊架2 m處和距離18號吊架1.5 m處，分別增設8 A和18 A號X向限位支架，增設14A號X向限位拉撐桿。

（3）在16號和17號吊架旁，分別增設16 A和17 A號Y向限位支架。

（4）在9號吊架下方2 m處，增設9 A號斜45°限位拉撐桿，限制所在立管X向和Y向振動。

新增限位支架及拉撐桿的位置如圖1所示。減振措施實施后，定子冷卻水管道最大應力值如表1所示，管道一次應力和二次應力比減振前略微增加，但均在許用范圍之內，不會造成管道應力超標，該減振方案是安全的。

表1 減振前后定子冷卻水管道最大應力值

4 模態分析

模態是多自由度線性系統的一種固有屬性。模態分析的目的就是為了計算管系的固有頻率和振型，確定其動力學特性。用CaesarⅡ軟件對現場實際狀態、原設計及減振措施實施后定子冷卻水管道進行模態計算，得出定子冷卻水管道按照某一階固有頻率振動時，管道系統各部分的振動趨勢。表2為3種狀態下管系前4階固有頻率。

表2 3種狀態下管系前4階固有頻率 Hz

從表2可以看出，原設計和減振前現場實際狀態的管道固有頻率都較低，第1階頻率僅為0.73 Hz和0.85 Hz，遠達不到規范要求的3.5 Hz。減振方案實施后，定子冷卻水管道剛度增大，1階固有頻率大大提高，有效地避開了低階激振頻率區。圖3和圖4是以第1階頻率為例的減振措施前后的振型圖。

圖3 第1階模態f1=0.73振型

圖4 減振后第1階模態f1=3.43振型

5 結論

對于溫度較低、薄壁小外徑管道，管道柔性較大，設計過程中除進行靜力計算、滿足強度要求外，還應該考慮管道動態特性，滿足管道剛度要求。建議進行必要的動態分析，合理設計支吊架，在合適位置設置限位裝置，以提高管道固有頻率，有效避開低階激振頻率區域。

振動治理方案實施后，定子冷卻水管道大幅度振動現象已完全消除，治理投運后的振動幅度明顯減小，最大幅度小于2 mm。振動治理后，不改變管系的布置，僅在合適的位置增加限位裝置，投資較小，施工簡單，實際振動消除效果明顯。這種振動治理方法同樣可用于發電廠其他輸水管道，如凝結水再循環管道，凝結水補水管道、除氧器補水管道和定子冷卻水補水管道的振動治理。

[1]DL/T 5054-1996火力發電廠汽水管道設計技術規定[S].北京:中國電力出版社出版，1996.

[2]張廣成.電站高溫高壓蒸汽大管道振動治理[J].振動工程學報，2004，17（2）:1131-1133.